CN103236898A - 一种绿色节能的网络专有保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种绿色节能的网络专有保护方法，涉及通信网络领域。针对全光网络中耗能较多、阻塞率较高和一旦发生故障将损失严重的性能缺陷，以及现有的绿色节能和保护技术不适用于完全动态的大型和高速率WDM网络，提出了一种绿色节能的网络专有保护方法。利用链路上单根光纤的波长使用情况来确定相应的光纤成本因子，进一步确定链路成本因子，最后与相应链路能耗进行结合得到链路能耗权值的方式，寻找最佳路由，最后进行波长分配，避免了使用过多的能耗以及形成过长路由，同时最大可能地对各工作路径进行了保护。

Description

一种绿色节能的网络专有保护方法

技术领域

本发明涉及通信网络领域，尤其涉及光波分复用网络中的节能与故障保护方法。

背景技术

数据业务的爆炸式增长以及网络应用的带宽高消费，导致了网络的能耗、运营成本和温室气体的排放迅速增加。波分复用(WDM)技术以其传输容量大、应用适应性强和易于扩展等优点被认为是高速广域骨干网的主流选择。WDM技术能将多个波长复用在一根光纤上，从而使链路能够承载巨大的信息量。与此同时，网络带宽和交换设备的增加带来了两个问题：一是能耗的增大。据统计，如今通信网络消耗全球8%的电力能源，到2020年将会达到14%。能耗的增加对环境产生了重要影响，信息通信技术的设备制造、使用和处理造成了二氧化碳的排放量占到了全球的2%，对全球的温室效应有直接的效果。二是故障造成的损失严重。单光纤承载海量数据传输，任何链路或者节点的失效将导致不可估量损失。为此，对考虑绿色节能的网络业务保护研究，能有效地降低网络能耗和提高网络可靠性。

近年来，WDM网络中考虑绿色节能的保护技术作为新兴热点得到广泛研究。A.Muhammad,P.Monti,I.Cerutti等人在“Energy-efficientWDMnetworkplanningwithdedicatedprotectionresourcesinsleepmode”【GlobalTelecommunicationsConference(GLOBECOM2010),IEEE,2010:1-5】文章中提出了一种整数线性规划模型，将预留的保护资源设为睡眠模式，一旦相应的链路发生故障，则迅速从睡眠状态中被唤醒，可以明显减少网络能耗。但此算法计算复杂度高，只能用于小型网络，不适合用于大型网络。AmornratJirattigalachote,CicekCavdar,PaoloMonti,LenaWosinska在“DynamicprovisioningstrategiesforenergyefficientWDMnetworkswithdedicatedpathprotection”【OpticalSwitchingandNetworking,2011,8(3):201-213】文章中提出了一种节能的1:1保护路由与波长分配算法，它克服了以上缺陷，通过最小化网络中的承载了工作光路的光纤数来减少光中继设备产生的能耗，从而降低整个网络的能耗。对于每个请求的到达，根据网络状态，在几个可选值中，算法为每条链路选择出一个合适的值分配给相应链路，作为链路权值，并在备选的路径集中选出最小代价路径作为能效工作路径或保护路径。但随着网络的扩大或网络故障的发生，使其初始化阶段变得复杂而耗时，缺乏灵活性，它并不是完全的动态算法。

上述文献中所提出的绿色节能保护算法均只适用于小型网络，缺乏灵活性和实用性，可移植性较低，不适用于大型高速WDM网络，且消耗的网络耗能较多，业务量一旦增大导致阻塞率明显较高。可见，这些算法存在一定程度的局限性。然而，当前网络中所承载的业务呈爆炸式增长以及网络范围不断扩大，对网络带宽、服务质量和能耗的要求随之上升。对于大范围和高速率的WDM网络，进一步减少能耗、降低阻塞率和实现故障完全保护的动态算法是提高绿色节能网络的可靠性所面临的主要问题，上述现有技术中的节能与生存性机制无法兼顾这些问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对全光网络中耗能较多、阻塞率较高和一旦发生故障将损失严重的性能缺陷，以及现有的绿色节能和保护技术不适用完全动态的大型和高速率WDM网络，提出了一种绿色节能的网络专有保护方法。利用链路上单根光纤的波长使用情况来确定相应的光纤成本因子，进一步确定链路成本因子，最后与相应链路能耗进行结合得到链路能耗权值的方式，寻找最佳路由，最后进行波长分配，避免了使用过多的能耗以及形成过长路由。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：首先进行工作路径的路由选择。由于网络负载的实时性变化，每次请求到达进行工作路径路由选路前，首先根据当前光纤的使用及负载情况，实时计算网络中所有光纤的成本因子,其次根据光纤成本因子确定相应链路的成本因子，接着根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，最后确定一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的工作路径。

接着进行工作路径的波长分配。由于链路是多光纤的，每条链路上的光纤包含激活、睡眠和关闭这3种状态。因此，在那些选定的工作路径上选取工作波长时，尽可能在激活的光纤上选取。在工作路径上选取工作波长时，在可用波长集中选一波长，首先根据工作路径路由选择时所分配的光纤成本因子，确定各链路上波长集中的波长成本因子，其次根据波长成本因子和相应的链路能耗确定各链路波长权重，最后找出最小路径波长权重的波长作为此工作路径的工作波长。假如同一条链路上被选择出来的可用波长存在于多根光纤上，则选择此时光纤成本因子最小的光纤。

再进行保护路径的路由选择。在网络拓扑中删除工作路径后，首先根据当前光纤的使用及负载情况，实时计算网络中所有光纤的成本因子，其次根据光纤成本因子确定相应链路的成本因子，接着根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，最后确定一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的保护路径。

最后进行保护路径的波长分配。在保护路径上选取保护波长时，在可用波长集中选一波长，根据保护路径路由选择时所分配的光纤成本因子，计算出各链路上波长集中的波长成本因子，进而与相应的链路能耗结合得到各链路波长权重，最后找出最小路径波长权重的波长作为此保护路径的保护波长。假如同一条链路上被选择出来的可用波长存在于多根光纤上，则选择此时光纤成本因子最小的光纤。

本发明的有益效果是：对所有请求实行1:1专有保护，将工作路径尽可能汇聚于活跃光纤上，保护路径尽可能汇聚于睡眠光纤上，一旦出现链路或节点故障，能最小化地激活睡眠光纤，且计算出的路径能耗权值起到了限制路由路径过长的目的，充分利用网络资源，减少了网络能耗，降低了网络阻塞率和由于链路或节点失效带来的信息丢失。

附图说明

图1网络能耗模型图；

图2本发明波长分配方法流程图；

图3工作路径路由与波长分配算法流程图；

图4保护路径路由与波长分配算法流程图。

具体实施方式

利用链路上单根光纤的波长使用情况来实时动态地确定相应的光纤成本因子，进一步确定链路成本因子，最后与相应链路能耗相乘得到链路能耗权值的方式，寻找最佳工作路径和相应保护路径，最后根据波长权重，在已被确定路由的路径上的每条多光纤链路上，选择出路由光纤并进行波长分配。

考虑网络链路为多光纤链路，网络节点均无波长变换能力，则每条链路包含K根光纤，每根光纤包含W个双向波长信道。设每个请求连接需消耗一个带宽波长。将网络中的光器件设定成三种不同的操作模式：off、sleep和active。当器件的所有功能都处于工作状态时，表示该器件处于active模式，如果只有很少的一部分功能处于工作状态时，表示该器件处于sleep模式，如果没有，表示该器件处于off模式。sleep模式与off模式的最大区别就在于前者在接受到一个触发事件后可以迅速的转成active模式。为了减少网络能耗，可将保护工作通路的冗余资源设定为sleep模式，当故障发生时，发出触发信息，冗余资源会从sleep模式迅速的转化为active模式，提供保护通路。减小网络能耗，这实质上是在业务量一定时，尽可能最小化网络中的活跃网元数，或者说是尽可能使更多的网元进入睡眠或关闭状态。

网络能耗模型如图1所示，它由一系列电控制系统(ECS)、基于光交换矩阵的三维微电机系统(MEMS)、转发器(Tran/Re)和光放大器(ILA)组成。则：

根据公式（1）计算任意一条链路l(l:i→j)上第k根光纤的能耗：

$P_{i,j}^k=(\frac{d_l}{d_{\mathrm{span}}}-1)\·P^{\mathrm{ILA}}---\left(1\right)$

其中，d_l表示节点i和j之间链路的物理长度，d_span为两个放大器之间的放置距离，通常设置为80km，P^ILA光纤上放置的光放大器的能耗。

则任意一条链路l(l:i→j)的能耗根据公式（2）确定：

$P_{\mathrm{ij}}^l=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i,j}^k---\left(2\right)$

由于绿色网络涉及节能问题，各请求路径的路由选择和波长分配不单是要考虑波长使用问题，以资源利用率为目标，还要考虑被使用链路的能耗问题。以上根据网络链路的长度计算出相应的链路能耗，用于计算链路能耗权重和波长权重，从而为各请求进行路由选路和波长分配。

实时计算网络中光纤上被工作路径使用的波长数，光纤上被保护路径使用的波长数，如果一根既定的光纤上无空闲波长，则此光纤成本因子为无穷大，假如是空闲光纤，则此光纤成本因子为β，假如只被保护路径使用了，且剩余波长资源，则此光纤的成本因子为此光纤上的保护波长数与工作波长数的差值与光纤的波长数W的比值加上β，假如被保护路径工作路径同时使用了，且剩余波长资源，则此光纤的成本因子为此光纤上的保护波长数与工作波长数的差值与光纤的波长数W的比值加上α，其中β=α+1。

图2所示为本发明波长分配方法流程图。

首先进行工作路径的路由选择。由于网络负载的实时性变化，每次请求到达进行工作路径路由选路前，首先根据当前光纤的使用及负载情况，实时计算网络中所有光纤的成本因子,其次根据光纤成本因子确定相应链路的成本因子，接着根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，最后确定一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的工作路径。

接着进行工作路径的波长分配。由于链路是多光纤的，每条链路上的光纤包含激活、睡眠和关闭这3种状态。因此，在那些选定的工作路径上选取工作波长时，尽可能在激活的光纤上选取。在工作路径上选取工作波长时，在可用波长集中选一波长，首先根据工作路径路由选择时所分配的光纤成本因子，确定各链路上波长集中的波长成本因子，其次根据波长成本因子和相应的链路能耗确定各链路波长权重，最后找出最小路径波长权重的波长作为此工作路径的工作波长。假如同一条链路上被选择出来的可用波长存在于多根光纤上，则选择此时光纤成本因子最小的光纤。

再进行保护路径的路由选择。在网络拓扑中删除工作路径后，首先根据当前光纤的使用及负载情况，实时计算网络中所有光纤的成本因子，其次根据光纤成本因子确定相应链路的成本因子，接着根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，最后确定一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的保护路径。

最后进行保护路径的波长分配。在保护路径上选取保护波长时，在可用波长集中选一波长，根据保护路径路由选择时所分配的光纤成本因子，计算出各链路上波长集中的波长成本因子，进而与相应的链路能耗结合得到各链路波长权重，最后找出最小路径波长权重的波长作为此保护路径的保护波长。假如同一条链路上被选择出来的可用波长存在于多根光纤上，则选择此时光纤成本因子最小的光纤。

图3为工作路径路由与波长分配算法流程图。具体步骤如下：

一、工作路径的路由选择

由于网络负载的实时性变化，每次请求到达工作路径前，首先对网络中所有的光纤成本因子

进行调整，用一个时间变量，根据当前光纤的使用及负载情况实时计算其成本因子。当光纤上没有空闲波长时，光纤的成本因子设为无穷大。否则，光纤成本因子根据

和

来确定。其中，根据路由时光纤选取的优先级，设置β=α+1。可调用如下公式确定光纤成本因子

其中，

为链路l(l:i→j)上第k根光纤上被工作路径使用的波长数，

为链路l(l:i→j)上第k根光纤上被保护路径使用的波长数，w为单光纤的波长数，α和β为设置的相对应的权值，对光纤成本因子的大小起着重要作用。

明显地，从上式可以看出，工作路径优先经过已存在的工作波长数相对保护波长数较多的光纤，其次经过空闲光纤，最后才经过专用的保护光纤。

网络光纤成本因子实时性调整后，应进一步对网络中所有链路的链路成本因子UCF_i,j(t)进行调整，同样用一个时间变量，根据链路上光纤的当前成本因子实时计算链路成本因子。可根据如下公式计算：

上式中，链路成本因子由链路上的光纤成本因子确定。当一条链路上所有的光纤均无空闲波长，则此链路的链路成本因子设为无穷大。否则，对链路上有可用波长的光纤代价值求平均，作为此链路的链路成本因子。

链路l(l:i→j)在t时的链路能耗权重为：

${\mathrm{Cost}}_{i,j}\left(t\right)=P_{i,j}^l\·{\mathrm{UCF}}_{i,j}\left(t\right)---\left(5\right)$

当请求r_i到达时，相应的源目的节点间的路径在t时路径能耗权重为：

${\mathrm{Cost}}_{s,d}^{r_i}\left(t\right)=\underset{(i,j)\∈P}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Cost}}_{i,j}\left(t\right)---\left(6\right)$

求出一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为请求r_i的工作路径；假如寻路失败，则阻塞此请求，等待下一个请求。

二、工作路径的波长分配

一个请求的工作路径选定后，再进行波长分配。但由于链路是多光纤的，每条链路上的光纤包含激活、睡眠和关闭这3种状态。因此，在那些选定的工作路径上选取工作波长时，尽可能在激活的光纤上选取。这样能使更多的网元处于关闭或睡眠状态。

在工作路径上选取工作波长时，在可用波长集中选一波长λ，假如这一可用波长存在于同一链路l(l:i→j)的n根光纤上，则链路l(l:i→j)上波长λ在t时的成本因子为：

${\mathrm{UCF}}_{i,j}^{\mathrm{\λ}}\left(t\right)=\left(\underset{k\∈n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{UCF}}_{i,j}^k\left(t\right)\right)/n---\left(7\right)$

链路l(l:i→j)可用波长λ在t时的波长权重：

${\mathrm{WC}}_{i,j}^{\mathrm{\λ}}\left(t\right)={\mathrm{UCF}}_{i,j}^{\mathrm{\λ}}\left(t\right)\·P_{i,j}^l---\left(8\right)$

路径上的可用波长λ在t时的波长权重：

${\mathrm{WC}}_{s,d}^{\mathrm{\λ}}\left(t\right)=\underset{(i,j)\∈P}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{WC}}_{i,j}^{\mathrm{\λ}}\left(t\right)---\left(9\right)$

在此可用波长集中，找出最小路径波长代价值的波长作为此工作路径的工作波长。假如同一条链路上被选择出来的可用波长存在于多根光纤上，则选择此时光纤中

最小的光纤。

图4所示为保护路径路由与波长分配算法流程图。

三、保护路径的路由选择

当请求r_i的工作路径选定后，在网络拓扑中删除这条路径。跟工作路径的路由选路类似，根据公式(10)对网络中所有的光纤成本因子

进行调整，式中用一个时间变量，根据当前光纤的使用及负载情况实时计算其成本因子。当光纤上没有空闲波长时，光纤的成本因子设为无穷大。否则，光纤成本因子根据

和

来确定。其中，根据路由时光纤选取的优先级，设置β＝α+1。

明显地，根据(10)式可以看出，保护路径优先经过保护波长数相对工作波长数较多的光纤，其次经过空闲光纤，最后才经过专用工作光纤。

在求取相应的保护路径时，除了光纤成本因子有差别外，其余计算过程与求取工作路径的一样，此处不再赘述。最后选定一条具有连续波长且代价值最小的路径作为请求r_i的保护路径。假如寻路失败，则此请求不被保护，等待下一请求。

四、保护路径的波长分配

保护路径的波长分配与工作路径的波长分配的方法相同，区别就在于保护路径的波长分配使用的成本因子不同，需利用式(10)中的光纤成本因子

取代链路成本因子，此处亦不赘述。

本发明利用链路上单根光纤的波长使用情况来确定相应的光纤成本因子，进一步确定链路成本因子，最后与相应链路能耗进行结合得到链路能耗权值的方式，寻找最佳路由，最后进行波长分配，避免了使用过多的能耗以及形成过长路由，同时最大可能地对各工作路径进行了保护。

Claims (8)

1.一种绿色节能的网络专有保护方法，其特征在于，利用链路上单根光纤的波长使用情况实时确定网络中所有光纤的成本因子，根据光纤成本因子确定链路成本因子，根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，寻找最佳工作路径和相应保护路径，根据波长权重，在已被确定路由的路径上的每条多光纤链路上，选择出路由光纤并进行波长分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，寻找最佳工作路径具体为：确定一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的最佳工作路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据工作路径路由选择时所分配的光纤成本因子，确定各链路上波长集中的波长成本因子，根据波长成本因子和相应的链路能耗确定各链路波长权重，找出最小路径波长权重的波长作为此工作路径的工作波长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在网络拓扑中删除工作路径后，根据当前光纤的使用及负载情况，计算网络中所有光纤的成本因子，根据光纤成本因子确定相应链路的成本因子，根据链路成本因子和相应链路能耗确定链路的能耗权值，寻找一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为某一请求的保护路径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护路径的波长分配具体包括：在可用波长集中选一波长，根据保护路径路由选择时所分配的光纤成本因子，计算各链路上波长集中的波长成本因子，根据波长成本因子及相应的链路能耗确定各链路波长权重，寻找最小路径波长权重的波长作为此保护路径的保护波长。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，寻找最佳工作路径具体包括，调用公式：

确定光纤成本因子

其中，

为链路l(l:i→j)上第k根光纤上被工作路径使用的波长数，

为链路l(l:i→j)上第k根光纤上被保护路径使用的波长数，w为单光纤的波长数；根据链路上光纤的当前成本因子调用公式：

，计算链路成本因子；当请求r_i到达时，根据公式： $\begin{array}{cc}{\mathrm{Cost}}_{s,d}^{r_i}\left(t\right)=\underset{(i,j)\∈P}{\mathrm{\Σ}}& P_{i,j}^l\·{\mathrm{UCF}}_{i,j}\left(t\right),\end{array}$ 计算源、目的节点间的路径在t时路径能耗权重，寻找一条具有连续波长且路径能耗权重最小的路径作为请求r_i的最佳工作路径。

7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，根据公式：

计算链路l(l:i→j)上波长λ在t时的成本因子，由此根据公式：

确定链路l(l:i→j)可用波长λ在t时的波长权重，路径上的可用波长λ在t时的波长权重为：

在可用波长集中，找出最小路径波长权重值的波长作为此工作路径的工作波长。

8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，当请求r_i的工作路径选定后，在网络拓扑中删除这条路径；保护路径优先经过保护波长数相对工作波长数多的光纤，其次经过空闲光纤，最后才经过专用工作光纤。

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